CN113017619A - 基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置，包括核心组件和辅助组件，所述核心组件包括有神经元计算棒、无线路由器、机器人平台、SD卡和充电器电源，所述辅助组件包括有笔记本电脑、显示器、键盘鼠标和工具读卡器，所述机器人平台包括有树莓派开发板、扩展板、神经元计算棒、摄像头、扩音器、电压数显、驱动电机和充电电池。该基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置，实现室内的自动路线巡检，通过车载摄像头进行人体姿态识别，实现老人身体姿态的快速检测与分析，异常情况时立即启动语音告警并发送短信通知相关人员，具有响应快、低成本、易部署等特点，具有一定的实用性、经济性和可推广性。

Description

基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置

技术领域

本发明涉及姿态识别技术领域，具体为基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置。

背景技术

人口老龄化是当今社会持续已久、迫在眉睫的难题。独居老人无法得到24小时无微不至的看护，紧急情况未及时发现将造成非常严重的后果。随着老年人口快速增长，加大了对养老服务的需求。尤其是对于高龄的、失能与半失能的老人，记忆力衰退、生活的自理能力下降，会使老年人的行动异常不变，需要专业人员进行托养照顾。根据社会基本结构模式，照顾老年人的亲属主要群体是在职子女，无法做到24小时看护；随着城市空巢家庭的日益增多，专业护理人员有限，供小于求的现象时有发生。独居老人商业化模式看护价格昂贵，无法做到普及。独居老人意外伤害发生的地点，主要在活动最多的家庭内部，发生跌倒与居家环境有关。

独居老人自身安全意识薄弱，居家生活过分依托经验，老年人一旦疾病突发，病情发展速度较快，将对身体造成不可逆转性伤害，甚至威胁到独居老人的生命安全，近年来，独居老人的安全事件频频发生，因此，降低独居老人居家安全问题发生的几率，能有效提高老年人居家养老的品质，对保护独居老人生命财产安全具有重大意义，目前通常采用可穿戴的手环来监测生命体征，但由于监测项目不足，且老人穿戴常感到紧束缚和不适，无法完全满足养老看护的需要。

因此一款能关注老人动态，自动发现老人异常并发出及时救援告警的“智能化监测养老护工”设备亟待开发。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置，解决了独居老人自身安全意识薄弱，一旦疾病突发，病情发展速度较快，将对身体造成不可逆转性伤害，甚至威胁到独居老人的生命安全，安全事件频频发生，采用可穿戴的手环由于监测项目不足，且老人穿戴常感到紧束缚和不适，无法完全满足养老看护需要的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置，包括核心组件和辅助组件，所述核心组件包括有神经元计算棒、无线路由器、机器人平台、SD卡和充电器电源，所述辅助组件包括有笔记本电脑、显示器、键盘鼠标和工具读卡器，所述机器人平台包括有树莓派开发板、扩展板、神经元计算棒、摄像头、扩音器、电压数显、驱动电机和充电电池。

优选的，步骤包括如下：

S1、打开无线路由器：按住无线路由器电源键3秒启动；

S2、打开机器人平台电源开关：在机器人平台后部，拨动开关进行启动操作，正常情况下，10-15秒即可完成启动，如果希望检查系统是否正常启动可以使用显示器连接机器人平台的树莓派开发板查看；

S3、连接电脑：通过电脑连接机器人平台；

S4、远程连接：启动VNC远程桌面，连接机器人平台，登录VNC后，可看到树莓派的操作系统；

S5、启动AI检测算法：模式一与模式二分别表示，带背景运行与无背景运行；

S6、启动姿态识别算法：wifi路由器连接互联网，采用4G上网卡或采用手机热点。

(三)有益效果

实现室内的自动路线巡检与老人的人体姿态识别与告警通知，实现对老人的姿势识别、机器人路线巡检以及告警通知等功能，实现接收信息后对老人状态判断、行踪分析、信息传输等功能，异常情况时立即启动语音告警并发送短信通知相关人员，具有响应快、低成本、易部署等特点，验证“基于动态人像识别系统智能化监测养老护工”装置的实用性、经济性、可推广性。

附图说明

图1为本发明的机器人平台整体示意图；

图2为本发明的机器人平台底部示意图；

图3为本发明的机器人平台电源开关示意图；

图4为本发明的具体功能架构示意图；

图5为本发明的AI检测算法界面示意图；

图6为本发明的AI检测算法步骤一示意图；

图7为本发明的AI检测算法步骤二示意图；

图8为本发明的AI检测算法步骤三示意图；

图9为本发明的姿态识别算法示意图；

图10为本发明的姿态识别异常示意图；

图11为本发明的姿态识别正常示意图；

图12为本发明的真人姿态实验坐姿正常示意图；

图13为本发明的真人姿态实验站姿正常示意图；

图14为本发明的真人姿态实验姿态异常示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-14，本发明实施例提供一种技术方案：基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置，包括核心组件和辅助组件，所述核心组件包括有神经元计算棒、无线路由器、机器人平台、SD卡和充电器电源，所述辅助组件包括有笔记本电脑、显示器、键盘鼠标和工具读卡器，所述机器人平台包括有树莓派开发板、扩展板、神经元计算棒、摄像头、扩音器、电压数显、驱动电机和充电电池。

步骤包括如下：

S1、打开无线路由器：按住无线路由器电源键3秒启动；

S2、打开机器人平台电源开关：在机器人平台后部，拨动开关进行启动操作，正常情况下，10-15秒即可完成启动，如果希望检查系统是否正常启动可以使用显示器连接机器人平台的树莓派开发板查看；

S3、连接电脑：通过电脑连接机器人平台；

S4、远程连接：启动VNC远程桌面，连接机器人平台，登录VNC后，可看到树莓派的操作系统，主要的程序为：ai_code，用于人体18个关键点检测的后台代码；robot_code，用于基于18个关键点进行姿态识别的代码，包括语音告警；car_code，用于控制机器人平台移动与转向的后台代码；editroute_code，用于设置运行路线的后台代码；

S5、启动AI检测算法：模式一与模式二分别表示，带背景运行与无背景运行，Step1，在命令行中输入：cd/home/pi/Desktop/1.ai_code；Step2，启动模式一，在命令行输入：1.run_model1.sh；启动模式二，在命令行输入：2.run_model2.sh；

S6、启动姿态识别算法：wifi路由器连接互联网，采用4G上网卡或采用手机热点，Step1，设置wifi路由器热点上网；Step2，运行代码cd/home/pi/Desktop/2.robot_code./run.sh；启动小车平台控制代码cd/home/pi/Desktop/3.car_code./run.sh；启动路线规划设置代码cd/home/pi/Desktop/4.editroute_code./run.sh。

核心组件是系统运行的最低要求，辅助组件主要用于机器人平台安装、修理，以及系统的调试、监控。

神经元计算棒：主要用于计算进行人体18个关键点的检测与姿态识别；无线路由器：主要用于组建局域网，让笔记本电脑与就机器人平台在同一个网络内，便于调试与监控；机器人平台：作为基础运行平台，通过指令可控制其进行运动与语音报警，机器人平台主要基于创乐博平台进行改装，增加神经元计算棒，实现人体姿态识别；SD卡：操作系统与运行环境保存在SD卡中；充电器电源：机器人平台自带电池，可持续运行10分钟，并可通过充电器进行充电。

树莓派开发板：是该样机的核心，用于机器装置的控制、操作系统与人体姿态识别等，用来运行操作系统与控制软件；扩展板：主要用于对树莓派开发板进行扩展，支持更方便的引脚插接，用来进行驱动电机、扬声器以及电压数显的接入；神经元计算棒：主要用于计算进行人体18个关键点的检测与姿态识别，主要负责在网络边缘运行AI算法，进行设备需要的检测与判断；摄像头：用于进行人体姿态识别的摄像头，可移动式摄像头实现对老人状态的检测与跟踪；扩音器：用于声音提示与报警；电压数显：用于监控电压状态，判断是否需要充电；驱动电机：通过四个驱动电机，实现机器人的移动与转向；充电电池：用于提供电力。

实验结果测试：

1.基于图片中姿态识别实验

将机器人小车摄像头分别对准正常姿态和异常姿态的人物图像进行识别实验，可以看到在两种不同的姿态下都可以实现姿态识别，并且当异常姿态持续3秒以上边进行语音告警，如图所示；

通过多次实验可以看到，识别分析后进行告警的准确率在90％以上，如表1所示。

表1.基于图片中的姿态识别实验

	总数	可姿态识别数	发出告警数	准确率
					正常姿态	20	20	0	100％
异常姿态	20	20	18	90％

2.基于真人识别实验

将机器人小车摄像头分别对准真人进行识别实验，如图所示。当出现疑似异常情况时，装置将通过扬声器发出告警语音。

人工智能及其搭载终端具有高精度、高强度、连续性等优点，能运用于诸多生活生产场景之中。目前人工智能运用于某一领域的过程首先是获取丰富的场景数据，然后通过算法模型对数据进行深度学习，最后获得在该领域判断决策的能力。基于物联网和云平台的居家老人看护系统一共分为四个主要组成部分，其也是看护系统的运营层次：数据采集层、数据处理层、数据传输层和终端播报层。

动态人体姿态识别系统的数据采集，是通过前端摄像头实现抓拍，然后再利用GPU、VPU等算力进行计算与分析，实现对人体姿态关键点的检测和识别。首先在图像识别中，最核心的采用深度学期算法模型的人像识别算法，然后依次采取体型、着装、步态识别等算法，对图像数据进行多重特征提取。其次人工智能芯片主要用在采集图像后，在前端实现采集特征的结构化提取。智能手机、机器人、无人机、摄像头、行车记录仪等采集设备，属于最基础的产品层，对动态图像进行采集。机器人可实现低成本、多功能、高安全性等特点。包含信息安全和物理安全，既不给用户带来安全隐患，甚至能主动监测并制止一些有潜在安全威胁的行为。家庭服务机器人将可实现老人看护，具有极大社会价值。

本“智能化监测养老护工”装置基于“创立博”机器人小车，实现室内的自动路线巡检与老人的人体姿态识别与告警通知。因此研究目标主要包括：

1)开发“基于动态人像识别系统智能化监测养老护工”装置；

2)实现对老人的姿势识别、机器人路线巡检以及告警通知等功能；

3)实现接收信息后对老人状态判断、行踪分析、信息传输等功能；

4)验证“基于动态人像识别系统智能化监测养老护工”装置的实用性、经济性、可推广性。

研究摄像对比：1、可穿戴手环，

为了能够实时监测老年人的行动状态，可穿戴手环可以进行更加精准的定位，同时能提供许多关于生命体征的监测指标。但在实际调研中发现，目前可穿戴手环仍有很大提升空间，目前大部分手环只能支持心率、步数等少部分指标的监控，不能及时的反映出老人的异常状态，进而无法及时准确的预警，同时老人在佩戴手环时通常会有紧缚感，并不舒适。

2、室内布点监控，

通过进行室内布点监控，能够让无法陪伴在身边的亲属或看护者多角度观察老人的实时状况，做到变向监护，当老人有异常情况时以便进行及时预警。但考虑到布点监控无法做到尊重个人隐私并容易出现视觉盲点，对此寻求其他方案。

3、移动式机器人监测，

相比前两种方法，减少束缚感并尊重隐私。能够通过机器人移动实时看护老人状态，方法可行。“智能化监测养老护工”装置每一次为老人服务时所产生的信息量是巨大的，若传输到公有云端去处理，其一是需要时间，其二是老人与联系人的信息无法得到安全保障。因此采用前沿的边缘计算技术，保障隐私安全，实时、快速、精准地在终端处理信息，实现实时对接。

创新点：1、凸显“智能护工”装置的实用性、经济性和可推广性，本“智能化监测养老护工”装置基于“创立博”机器人，运用树莓派开发板，在神经元计算棒的加速下，通过人体姿态识别模型短时间内对老人的身体状态快速识别，发现紧急情况与相关人员进行联系；此装置的开发增强了老人在突发状况下救助的及时性，同时由于成本低，已部署等特点，也体现了“智能化养老护工”装置的实用性、经济性和可推广性；2、整合多项技术实现服务本地化，“智能护工”运用多种先进技术，如：人体姿态识别、边缘计算等。边缘计算具有低时延、高带宽、高可靠、本地安全隐私保护等优势，既能容纳大量监测老人以及平台交流所产生的信息，又能做好隐私保护工作，更能快速精准处理信息、得出结论、及时传输，实现服务本地化。

研究展望：根据老人生活需求的多样化和便捷化，可新增以下功能，1、制定老人作息计划，通过“姿势识别”、“路径识别”，总结出老人作息规律，根据行为习惯存在的问题及隐患，适时提醒老人养成健康生活习惯；2、远程订餐服务，老人通过智能护工的订餐服务实现“足不下床”体验送餐服务，减少活动风险。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置，其特征在于：包括核心组件和辅助组件，所述核心组件包括有神经元计算棒、无线路由器、机器人平台、SD卡和充电器电源，所述辅助组件包括有笔记本电脑、显示器、键盘鼠标和工具读卡器，所述机器人平台包括有树莓派开发板、扩展板、神经元计算棒、摄像头、扩音器、电压数显、驱动电机和充电电池。

2.根据权利要求1所述的基于人体姿态识别算法的智能化监测养老护工装置方法，其特征在于，步骤包括如下：

S1、打开无线路由器：按住无线路由器电源键3秒启动；

S2、打开机器人平台电源开关：在机器人平台后部，拨动开关进行启动操作，正常情况下，10-15秒即可完成启动，如果希望检查系统是否正常启动可以使用显示器连接机器人平台的树莓派开发板查看；

S3、连接电脑：通过电脑连接机器人平台；

S4、远程连接：启动VNC远程桌面，连接机器人平台，登录VNC后，可看到树莓派的操作系统；

S5、启动AI检测算法：模式一与模式二分别表示，带背景运行与无背景运行；

S6、启动姿态识别算法：wifi路由器连接互联网，采用4G上网卡或采用手机热点。

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